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原文传递船舶输流管系振动特性研究

论文题名：	船舶输流管系振动特性研究
关键词：	船舶动力装置;管道流体流动;管道振动;有限元法;模态分析
摘要：	船舶动力装置系统存在着输送各种介质的管道系统，如压载水系统、冷却水系统、燃油输送系统、滑油输送系统、压缩空气系统等，而各种不同管径的管道纵横交叉布置在甲板和机舱里，流体通过泵的作用不断的在管道内流动，这种流体流动过程产生的脉动可能引起管道的振动，进而降低管道输送效率，引起结构振动疲劳，甚至由此导致管系结构破坏，造成重大经济损失，更有甚者可能对船舶安全航行造成威胁。对于潜艇来说，振动引起的噪声将会降低其隐蔽性，影响航行安全。鉴于此，本文对船舶输水管道中流体引起的振动问题进行了研究，通过分析管道振动产生的原因及影响管道振动的因素，并运用有限元法对管系进行了模态分析和强迫振动分析，同时进行了试验验证，提出相应改造措施。主要工作包括：（1）阐述了船舶输流管道一维流动特性及波动理论，建立了一维波动方程，并运用波动理论及其方法，分析了管道内液体产生脉动时，管道截面上脉动压力P和脉动速度V 随管道截面位置变化的关系，由此推导出计算管道内液柱振动的固有频率表达式。并对一端封闭另一端敞开管道（对应于船舶上一端接水泵，另一端接船舶水舱，如船舶压载系统的情况）内液柱固有频率进行了分析。（2）分析了引起管道振动的各种因素，并着重研究了管道流体压力脉动产生的原因及计算方法，以及由此对管道系统产生的激振力，指出压力脉动是引起管道振动的主要原因。并模拟一段弯曲管道，应用有限元法对输流管道进行流体动力学分析，计算流体通过弯曲管道时，其压力、流速的变化及对管道所产生的附加作用力情况。 (3)对输流管道横向自由振动数学模型进行了推导，并分析了管内流体流速与管道系统固有频率间的关系，随着流速的增加，管道的固有频率降低，当流速达到临界流速时，管道发生失稳，但在分析船舶输水管系时，流体流速与临界流速相比，管道内流体的流速很小，由此结论可知，在计算管系振动时，可不考虑流速对管道固有频率的影响。分析了用有限元对管道进行模态分析的方法，分别计算了1 DOF和2 DOF约束的充液管道自由、无激励状态下的固有振动频率。（4）建造了一段船舶输水管道实验系统，通过PRO/E完成几何建模，建立了输水管系及其支承的有限元模型，用ANSYS.10软件对管道系统进行模态分析，计算管道自由、无激励状态下的固有振动频率。同时分析计算了管道内流体流动压力及流速的分布情况以及流体液柱振动的固有频率。（5）实测管道内压力脉动幅值，应用有限元法计算了管道内液体激振力作用下的振动的响应。（6）对实验管道系统进行了压力、振动测量，得出其功率谱图，并对管道系统的振动、压力脉动信号进行了检测处理，分析了管道振动的原因。 (7)应用理论与实验分析的结果指导船舶管系优化设计，给出设计管系的合理步骤和方案。主要考虑各段管道的长度、弯曲角度、不同支承条件、液体流速等因素对管道振动的影响，并给出了多种防振、减振措施。
作者：	徐合力
专业：	动力机械及工程
导师：	蒋炎坤
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文